合成鑄鐵生產缸體鑄件的工藝技術

葉天漢，陳翌慶，蘇勇，黃光偉

（1.合肥江淮鑄造有限責任公司，安徽合肥231137；2.合肥工業大學材料學院，安徽合肥230009）

合成鑄鐵生產缸體鑄件的工藝技術

葉天漢1，陳翌慶2，蘇勇2，黃光偉1

（1.合肥江淮鑄造有限責任公司，安徽合肥231137；2.合肥工業大學材料學院，安徽合肥230009）

考慮到大量使用生鐵使鐵液收縮傾向增大且使鑄件性能降低，以及為解決鑄鐵熔煉所需原材料生鐵價格不斷上漲等問題，在缸體類鑄鐵產品的生產中，采用合成鑄鐵，即廢鋼加增碳劑增碳的方式進行鑄鐵生產。此工藝采用增硫防止石墨長成粗大片狀，適當的合金化和孕育處理，可以使鐵液的收縮傾向得到明顯改善。采用合成鑄鐵生產的缸體類產品力學性能和金相組織均優于傳統熔煉工藝生產的鑄鐵產品。

合成鑄鐵；增碳劑；力學性能；金相組織

汽車工業在國民經濟中起著舉足輕重的作用，發動機是汽車的“心臟”，缸體是發動機中最重要的鑄件。由于缸體的內腔和外形結構十分復雜，且要求足夠的強度和剛度，人們普遍認為缸體是鑄造生產中難度最大的一個復雜薄壁鑄件，它的生產水平一定程度上代表了這個國家的鑄造生產水平。

目前，國內外車用發動機缸體的材質仍以灰鑄件為主，但鑄鋁有發展的趨勢。為滿足節能減排和使用性能的提升，高品質灰鑄鐵缸體除要求高耐磨性、低廢品率、好的加工性外，其最顯著特點是以薄壁高強度為發展方向。薄壁而不出現白口，意味著灰鑄鐵成分需要高碳當量，但強度會下降。國內許多生產企業通常采用加入大量合金以提高強度,一方面使材料成本增加，另一方面材料的加工性能變差，其根本原因就在于熔煉和工藝技術落后。生鐵中有許多粗大的過共晶石墨,這種粗大的石墨具有遺傳性,熔煉溫度低時,粗大石墨不易被消除,降低了材料的性能，即使鐵液雙聯進入電爐保溫后,也難以消除。僅采用廢鋼和回爐料而不用新生鐵且用電爐熔煉的合成鑄鐵具有成本低（廢鋼價格低于生鐵）、石墨形態好、力學性能高、電爐熔煉較沖天爐工作環境改善等特點，成為目前發動機灰鑄鐵缸體最適宜的材料。隨著對歐Ⅲ排放的全面要求，提高性能、減輕重量、降低能耗及降低成本的高強度薄壁灰鑄鐵件就成為國內外研究的一項重要內容［1～5］。

1 試驗方法

1.1 生產設備及試驗裝置

1）DFMA-AD型KW水平靜壓造型線：由主造型機，翻箱機、銑澆口機、移箱機、合箱機、鑄工小車、液壓站等組成；全線采用自動化控制；采用氣流預緊實加高壓多觸頭壓實造型。生產率為105型/h，壓實力1 485 kN，砂箱尺寸為1 100×900×350（mm）。

2）應達中頻感應保溫電爐：生產效率10 t/h。

3）GS1000直讀光譜儀。

4）Q384D1雙行程吊鏈式拋丸清理室。

5）HB-3000型布氏硬度計。

6）XJP-6A金相顯微分析系統。

9）HCS-140A紅外CS分析儀。

1.2 原材料

1）回爐料、廢鋼（汽車覆蓋件沖邊料）。

2）含鍶鋯鋇稀土多元復合孕育劑。

3）增碳劑為晶體石墨增碳劑。

4）鉻鐵、錳鐵、錫、銅。

2 生產結果

2.1 鐵水化學成分

對合成鑄鐵（廢鋼+晶體石墨增碳劑+合金）和原工藝（廢鋼+生鐵+合金）兩種方案按相同的化學成分進行對比試驗，鐵液化學成分如表1所示。

表1 鐵水化學成分（質量分數，%）

2.2 力學性能

用表1所述的鐵水澆注缸體，對兩種工藝生產鑄件的金相組織和機械性能進行了的檢測和分析，其結果見表2，以及圖1、圖2所示。

表2 不同工藝生產缸體的布氏硬度（HB）

2.3 金相組織

由表2和圖1、圖2可以看出，在C、Si、Mn、P、S、Sn含量相近情況下，合成鑄鐵與原工藝相比：

1）從兩種方案的試驗結果可以看出，在碳當量相同的情況下，合成鑄鐵的抗拉強度比普通灰鑄鐵高10 MPa～15 MPa，硬度提高10 HB左右。

2）金相組織的變化。石墨形態變化不大，但合成鑄鐵使石墨得到細化。合成鑄鐵的石墨基本全是A型石墨，并且石墨變得短粗，較好的改善了鑄件的切削性。

結果表明，增加廢鋼的用量，取消生鐵，采用合成鑄鐵的方案可改善了鑄件的切削性能。

圖1 不同工藝生產缸筒橫向剖面的石墨形態

圖2 不同工藝生產缸筒橫向剖面的基體組織

3 結果分析

3.1 成分選擇

傳統經驗認為,生產高強度灰鑄鐵時硅量應控制在較低的范圍（一般ω（Si）=1.70%～1.90%）,然后用大孕育量孕育防止出現碳化物；認為硫是有害元素,盡可能減少；加錳可以提高灰鑄鐵的強度和硬度等。在合成鑄鐵生產高強度缸體時，這些認識有些是錯誤的，需要調整改進。例如：在合成鑄鐵中，當ω（S）＜0.05%時，一定要進行增硫處理。增硫除可以改善切削性能外，還可以改善材料力學性能；同樣，對錳量也要控制。

3.2 合金化

鐵液經過增碳、增硫處理,確定了最重要的碳、硅、錳、硫成分后,材料的性能已經從根本上提高了一個檔次（抗拉強度可提高10 MPa～15 MPa，硬度上升10 HB左右，切削加工性好，白口傾向小），此時合金化的加入量不需要很大。常采用多元微合金化。

3.3 孕育處理

孕育的主要目的是為了促進石墨的析出，消除白口。對孕育技術的研究主要是對孕育劑的研究和孕育方法的研究。隨流孕育技術在球鐵生產中是一項非常關鍵的技術，但是在灰鐵生產中卻很少應用。生產高品質的灰鑄鐵尤其是生產薄壁缸體鑄件離不開隨流孕育技術。

采取合成鑄鐵方案，取消了生鐵加入，消除了粗大石墨的遺傳性，減小了縮松傾向，減少了縮松缺陷的產生。由于大量廢鋼的加入，提高了鑄件的硬度；同時，增加硫含量，細化了石墨，使石墨分布更均勻，改善了鑄件的切削性，減少機加過程中的缺料。從質量統計情況可以看出，縮松和夾渣缺陷明顯降低，產品質量得到提高。

本廠采用合成鑄鐵技術生產的缸體數量已超過10萬臺，不僅使缸體的內在質量得到了提高，還取得非常可觀的經濟效益。

4 結論

1）在灰鑄鐵的生產過程中，采用廢鋼+晶體石墨增碳劑，即合成鑄鐵方案，消除了生鐵粗大石墨帶來的遺傳影響，減少了鐵液凝固過程中的收縮傾向，減少了鑄件的縮松缺陷。

2）采取合成鑄鐵方案生產灰鑄鐵，可提高灰鑄鐵的硬度和硬度均勻性；同時采取提高硫含量，改善石墨形態，使石墨細化，增加石墨數量和均勻性，較好的改善了鑄件的切削性。

3）利用廢鋼與生鐵的價差，降低了生產成本。

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［2］L.lvarez,C.J.Luis,I.Puertas.Analysis of the influence of chemical composition on the mechanical and metallurgical properties of engine cylinder blocks in grey cast iron［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，153-154：1039-1044.

［3］徐桂芳.薄壁缸體鑄件中合金元素的選擇［J］.現代鑄鐵，2000（2）：13-16.

［4］蘇廣才.微合金交互作用及配對比對灰鑄鐵組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2004（11）：36-38.

［5］陳杰.灰鑄鐵缸體缸蓋的材質選擇與控制［J］.內燃機，2006（3）：14-17.

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Production Technique of Cylinder Casting Using Synthetic Casting Iron YE Tian-han1,CHEN Yi-qing2,SU Yong2，Huang Ghang-wei1

（1.JAC Automotive Casting Co.,Ltd.,Hefei 231137,China；
2.School of Material Science&Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009，China）

It is considered that using pig iron in large fraction would increase shrinkage tendency of the molten iron and decrease properties of castings and the price of pig iron is continually rising.To resolve the problems above,the synthetic cast iron,i.e.scrap steel with carburant,was applied to the cylinder's production.It is necessary,in order to produce hi-strength gray iron castings, increase sulphur content to prevent the graphite from growing into coarse flakes,proper alloying and inoculation can obviously decrease the shrinkage tendency of the molten iron.Results of trial production show that both the mechanical property and microstructure of cylinder castings produced with the synthetic cast iron are better than that of the traditional ones.

synthetic cast iron;carburant;mechanical property;metallographic structure

TG251

A

1674-6694（2010）0021-03

2010-07-08

葉天漢（1962-），男，碩士，高級工程師。

安徽省2008年重大科技專項（8010202012）